TCP/IP协议二十问

1. 什么是TCP网络分层？

TCP网络分层一般分为五层：

1. 应用层（HTTP）：组装数据包
2. 传输层（TCP）：增加TCP头部，包含端口号等信息
3. 网络互联层（IP）：增加IP头部，包含IP地址等信息
4. 网络访问层（ARP）：增加以太网头部，包含MAC地址等信息
5. 物理层

分层的好处

• 各层独立：限制了依赖关系的范围，各层之间使用标准化的接口，各层不需要知道上下层是如何工作的，增加或者修改一个应用层协议不会影响传输层协议；
• 灵活性：比如路由器不需要应用层和传输层，分层以后路由器就可以只用加载更少的几个协议层
• 易于测试和维护：提高了可测试性，可以独立的测试特定层，某一层有了更好的实现可以整体替换掉；
• 能促进标准化：各层职能清晰，方便标准化；

2. TCP的三次握手？为什么不是两次或者四次？

1. 客户端向服务端发送SYN，seq = x；
2. 服务端向客户端发送SYN，seq = y, ACK = x+1;
3. 客户端向服务端发送ACK = y+1；

两次不行

1. 如果只做两次无法确定服务端的接收能力；
2. 两次握手后建立连接，有可能导致由于时延产生的多次连接建立，导致资源浪费；

四次不行

三次足够，没必要资源浪费；

3. TCP的四次挥手？为什么不能是三次？

1. 客户端向服务端发送FIN，seq = x+2，ACK = y+1；
2. 服务端向客户端发送ACK = x+3；
3. 服务端发送完剩余数据后，再向客户端发送FIN，seq = y+1；
4. 客户端向服务端发送ACK = y+2；

三次不行

导致服务端的ACK和FIN将延迟发送，如果延迟时间过长，客户端将再次重发断开请求，导致资源浪费。

4. 为什么SYN/FIN不包含数据却要消耗一个序列号？

凡是需要对端确认的，一定消耗TCP报文的序列号；

5. 什么是半连接队列？什么是SYN Flood攻击？

客户端大量伪造IP发送SYN包，服务端回复的ACK+SYN去到了一个【未知】的IP地址，势必会造成服务端大量的连接处于SYN_RCVD状态，而服务器的半连接队列大小也是有限的，如果半连接队列满，也会出现无法处理正常请求的情况。

6. TCP快速打开的原理？

TCP快速打开（TCP Fast Open，TFO）
TFO是在原来TCP协议上的扩展协议，它的主要原理就在发送第一个SYN包的时候就开始传数据了，不过他要求当前客户端之前已经完成过【正常】的三次握手。

快速打开分为两个阶段：请求 Fast Open Cookie 和 真正开始 TCP Fast Open

TCP Fast Open 的优势

可以利用握手去除一个往返的RTT
可以防止SYN-Flood攻击之类的

7. TCP报文中的时间戳有什么用？

TCP Timestamps Option由四部分构成：
类别、长度、发送方时间戳、回显时间戳

1. 用于计算RTT
2. 防止序列号的回绕问题，即使使用的序列号相同，也可以通过时间戳来对不同的包进行区分。

8. TCP的超时重传时间是如何计算的？

超时重传时间：Retransmission TimeOut， 简称RTO

经典解决方法

适用于RTT较小的情况，SRTT，smoothed round trip time。
利用最新一次的RTT对SRTT时间进行更新，
SRTT = α × SRTT + (1-α）× RTT

9. TCP流量控制？

把发送的数据放到发送缓冲区，把接收的数据放到接收缓冲区。通过实际接收缓冲区的大小，控制发送端的发送。
接收端会告知客户端自己接收窗口，也就是接收缓冲区中空闲的部分。

发送端的数据包的状态：

• 已发送且已确认
• 已发送未确认的
• 未发送但接收端可以接受的（接收端有空间接受）
• 未发送且不可以发送（接收端没空间接收）

发送端速度较慢：存在大量待发送的字节；
发送端速度较快：存在大量待确认的字节；

10. TCP的keep-alive原理？

定时发送探测包来探测连接的对端是否存活，但是keepalive默认设置的时间过长，7200s没有实际意义，一般在应用层做心跳机制。

什么是心跳机制？

• 定时向服务端发送消息
• 能响应服务端的消息

长链接业务场景

• 游戏
• -即时通讯
  在没有心跳包机制的情况下，网络若掉线，对方不可知；
  如果客户端掉线，服务端不知道，还维持链接，就是额外的无效系统开销。

为什么需要心跳包：

• 在NAT、防火墙网络中装设备，保存信道记录；
• 及时发现对方网络断开，以便及时采取措施；

如何实现心跳包

• TCP层面的心跳包，只能够验证网络链接是否异常；
• 应用层层面的心跳包，验证服务接口是否异常；

为什么不采用TCP层面？

应用层的连接如果成功，那么TCP所在的传输层必定成功。

11. TCP中的端口号

源端口：本地端口
目标端口：服务器端口

最大65536个，所以是0-65535

常见端口：

端口号	服务
22	SSH
80	HTTP
443	HTTPS
3306	mysql
Redis	6379
MongoDB	27017

12. TCP场景问题1

AB两个主机之间建立了一个TCP连接，A主机发给B主机两个TCP报文，大小分别是500和300，第一个报文的序列号是200，那么B主机接收两个报文后，返回的确认号是多少？500+300+200 = 1000

13. TCP场景问题2

收到IP数据包解析后，如何知道应该投递到上层中的哪个协议（是TCP还是UDP）？

IP报文头中有协议字段，TCP6，UDP17

14. TCP场景问题3

TCP提供了一种字节流服务，而收发双方都不保持记录的边界，应用程序应该如何提供他们自己的记录标识呢？

应用程序使用自己约定的规则来标识消息的边界，比如有一些使用回车＋换行（“\r\n”），比如Redis的通信协议；

15. telnet 的用法

检查远端端口是否打开，其语法如下：
telnet [ip] [port]

16. netstat的用法

主要用于查询网络情况
如： netstat -a -lu -lt

17. tcpdump

用于抓包，例如可以查看三次握手和四次挥手等

18. wireshark

19. TCP和UDP的区别？

TCP是一个面向连接的、可靠的、基于字节流的传输层协议；
UDP是一个面向无连接的传输层协议；

• 面向连接：指的是客户端和服务端的连接，在通信前通过三次握手建立连接；

• 可靠性：

  • TCP有状态：TCP会精准记录那些数据发送了，哪些数据已被接收，那些数据未被接收，并且保证数据包按序到达，不允许差错；
  • TCP可控制：如果遇到丢包或者网络不佳，TCP会根据具体情况自行调整，控制自己的发送速度或者重发。

20. QQ的网络协议设计？

• 登录采用TCP协议和HTTP协议；
• 好友之间发消息可以采用UDP；
• 内网传文件可以采用P2P技术；

1. 登录过程中，客户端client采用TCP协议向服务器发送消息；
2. HTTP协议下载信息；
3. 登录后通过TCP来保持在线状态；
4. 和好友发消息客户端采用UDP协议，但是需要通过服务器转发，但是为了确保传输信息的可靠性，采用上层协议来保证可靠传输；
5. 内网传输文件时采用P2P技术；